Biogas yields and composition from oil-extracted halophilic algae residues in conventional biogas plants operated at high salinitiesVollständiger Abdruck der von der Fakultät für Chemie der Technischen Universität München
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr. rer. nat.)
genehmigten Dissertation
Prüfer der Dissertation 1. Prof. Dr. Thomas Brück
2. Prof. Dr. Tom Nilges
Die Dissertation wurde am 27.04.2020 bei der Technischen Universität München eingereicht
und durch die Fakultät für Chemie am 19.05.2020 angenommen.
Abstract
I
I. Abstract
In this current thesis, the biogas process design, yields and chemical composition using
biomass of the green microalgae Chlorella vulgaris and Scenedesmus obliquus as the sole
substrate were experimentally investigated. The biogas processes were examined in batch
and continuous modes, while the best performance processes in terms of techno-economic
parameters were determined.
In a batch setting fresh and dried biomass of the freshwater algae Chlorella vulgaris was
sequentially fermented to yield raw biogas. The Chlorella biogas production provided 537.9 lN
kg-1 VS and 443.6 lN kg-1VS for dried and fresh algae biomass respectively, while the corn
silage standard generated 650 lN kg-1 VS [1].
In a continuous fermentation setting, the Chlorella vulgaris biomass addition was continuously
increased. The fermentation process was stable, even though the efficiency of gas production
decreased with increasing organic load rate (OLR). At an OLR of 1 kg VS m-³ d-1 the specific
average daily gas production was 507 lN kg-1 VS, whereas at an OLR of 3 kg VS m-³ d-1 the
specific average daily gas production was only 340 lN kg-1 VS.
To evaluate the influence of the salt load on the biogas production, batch experiments with oil-
extracted biomass of the brakish water algae Scenedesmus obliquus were carried out. Up to
a salt content of 5 % (w NaCl/v) in the algae suspension no effect on the gas yield could be
determined, the gas yield was about 335 lN kg-1 VS. Only at a salinity of 10 % (w NaCl/v) in the
algae suspension the gas yield was reduced to merely 315 lN kg-1 VS. At a set salinity of 3 %
(w NaCl/v) on the total mixture, gas production stopped almost completely (30.7 lN kg-1 VS).
The methane content decreased with increasing salinity from 61.5 % (v/v) to 59.4 % (v/v) at
10 % (w NaCl/v) salinity. In the approach with 3 % (w NaCl/v) salt related to the total approach,
the methane content was only 21.6 % (v/v).
Likewise to consider the effects of an increasing salt content on the gas yield, the mono-
fermentation of Scenedesmus obliquus was tested in a continuous flow-through experiment.
The OLR was increased from initially 1 kg VS m-³ d-1 to finally 1.5 kg VS m-³ d-1, the salinity of
the algae suspension was increased in several steps from 5 % w/w to 20 % w/w. From a salinity
of 10 % w/w on, the gas yield decreased at the same OLR. An increase of the OLR resulted in
slightly more gas, but the specific gas production (related to the weighed algae mass)
decreased, i.e. the substrate was degraded less.
Zusammenfassung
II
II. Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wurden die Gas- und Methanerträge der Mikroalgen Chlorella
vulgaris und Scenedesmus obliquus im Rahmen von Satzprozessen und halb-kontinuierlichen
Versuchen im Vergleich experimentell untersucht.
In einem Satzprozess mit Chlorella vulgaris wurde die Süßwasseralge in getrockneter und
frischer Form vergoren. Dabei erzielte sie bezogen auf Normliter mit 537,9 lN/kg oTS
(getrocknete Algenmasse) bzw. 443,6 lN/kg oTS (frische Algenmasse) beachtliche
Methanausbeuten im Vergleich zu Mais (650 lN/kg oTS [1]).
In einem kontinuierlichen Durchflussversuch mit Chlorella vulgaris wurde die Zugabe von
Chlorella-Biomasse gleichmäßig gesteigert. Der Gärprozess verlief dabei stabil, auch wenn
sich mit steigender Raumbelastung eine abnehmende Gasproduktionseffizienz zeigte. So
betrug bei einer Raumbelastung von 1 kg oTS/(m³*d) die spezifische durchschnittliche tägliche
Gasproduktion 507 lN/kg oTS, während bei einer Raumbelastung von 3 kg oTS/(m³*d) die
spezifische durchschnittliche tägliche Gasproduktion lediglich 340 lN/kg oTS betrug.
Zur Evaluation des Einflusses der Salzfracht auf die Biogasproduktion wurden Satzprozesse
mit ölextrahierter Biomasse der Salzwasseralge Scenedesmus obliquus durchgeführt. Bis zu
einem Salzgehalt von 5 % (w NaCl/v) in der Algensuspension konnte kein Effekt auf den
Gasertrag festgestellt werden, der Gasertrag lag bei rund 335 lN/kg oTS. Erst ab einem
Salzgehalt von 10 % (w NaCl/v) der Algensuspension war der Gasertrag geringer, bei nur 315
lN/kg oTS. Bei einem eingestellten Salzgehalt von 3 % (w NaCl/v) auf den Gesamtansatz
stoppte die Gasproduktion fast vollständig (30,7 lN/kg oTS). Der Methangehalt sank mit
steigendem Salzgehalt von 61,5 % (v/v) auf 59,4 % (v/v) bei 10 % (w NaCl/v) Salzgehalt. Im
Ansatz mit 3 % w/w Salz bezogen auf den Gesamtansatz lag der Methangehalt nur noch bei
21,6 % (v/v).
Ebenso zur Betrachtung der Auswirkungen eines steigenden Salzgehaltes auf die
Gasausbeute wurde im Rahmen eines kontinuierlichen Durchflussversuches die
Monovergärung von Scenedesmus obliquus getestet. Die Raumbelastung wurde von
anfänglich 1 kg oTS/(m3*d) auf zuletzt 1,5 kg oTS/(m3*d) gesteigert, der Salzgehalt der
Algensuspension in mehreren Schritten von 5 % w/w auf 20 % w/w erhöht. Ab einem
Salzgehalt von 10 % (w NaCl/v) ging der Gasertrag bei gleichbleibender Raumbelastung
zurück. Eine Erhöhung der Raumbelastung brachte zwar etwas mehr Gas, die spezifische
Gasproduktion (bezogen auf die eingewogene Algenmasse) ging jedoch zurück, d.h. das
Substrat wurde insgesamt schlechter abgebaut.
Danksagung
III
III. Danksagung
An erster Stelle und besonders herzlich möchte ich mich bei Prof. Dr. Thomas Brück
bedanken. Ohne Dich, Thomas, hätte es dieses spannende Projekt AFK nicht gegeben. Ich
bedanke mich bei Dir außerordentlich dafür, dass Du darauf vertraut hast, dass wir als KMU
(conys GmbH) und ich in persona mit dieser daraus entstandenen Dissertation die Ziele des
AFK-Projektes mit ins Ziel bringen konnten.
Ich bedanke mich weiter sehr herzlich bei meinem Mitautor Wojciech Jurkowski, der mit seiner
Biogas-Expertise, aber auch mit seinem fundierten Grundlagenwissen entscheidend zum
Gelingen der Publikationen beigetragen hat.
Wiederum ein besonderes herzliches Dankeschön gilt meinem langjährigen Wegbegleiter und
Drittautor Dr. Jan Adolph, der das Projekt AFK von Anfang an begleitet hat und für die
entsprechende praxisnahe und wissenschaftliche Tiefe gesorgt hat.
Mein besonderer Dank gilt auch Dr. Daniel Garbe für ein hervorragendes Projektmanagement
im Projekt AFK und der damit verbunden organisatorischen und auch fachlichen
Unterstützung.
Ferner möchte ich mich herzlich bei Dr. Farah Qoura für die administrative Unterstützung
bedanken.
Außer der Reihe möchte ich hier meinem „Mentor im Stillen“ Prof. Dr. Arnulf Melzer danken.
Ohne Dich, lieber Arnulf, hätte ich wohl nicht den Ehrgeiz entwickelt, diese Dissertation zu
beenden (im Übrigen hattest schon mal in den 1990ern entscheidend beigetragen, dass ich
mein Vordiplom an der TUM ins Ziel gebracht habe!)
Ein weiteres herzliches Dankeschön gebührt an dieser Stelle Dr. Jan Lorenzen. Jan: besten
Dank für die Unterstützung im Umstrukturieren, Redigieren und Formatieren bei dieser Arbeit!
Des Weiteren bedanke ich mich herzlich bei meinem Geschäftspartner Peter Braun, dass wir
diesen gemeinsamen Weg als KMU gehen konnten, sowie, dass Du mir - trotz unserem
operativen Geschäft - die Zeit gegeben hast, diese Arbeit ins Ziel zu bringen.
Der größte und allerherzlichste Dank geht aber an meine Familie! Ungefragt haben meine
Eltern und meine Schwester hinreichend beigestanden und fleißig redigiert. Aber
herausragend beigetragen hat meine liebe Frau Ljuba mit unseren drei Kindern Xenia, Felix
und Maxim. Danke, dass Ihr alle dieses nunmehr 7-jährige Projekt „Doktorarbeit“ neben
unserem operativen Alltag mitgetragen habt!
Inhaltsverzeichnis
IV
1.3. Prozessvorteile und Systematik der Algen .............................................................. 7
1.4. Im AFK-Projekt eingesetzte Grünalgen ................................................................... 9
1.5. CO2-Fixierung durch Algen .....................................................................................10
1.7. Grundlagen der Biogastechnologie ........................................................................12
1.8. Grundlagen der Biogaserzeugung ..........................................................................14
2. Methoden ...................................................................................................................19
2.2. Substrat: Chlorella vulgaris .....................................................................................20
2.3. Substrat Scenedesmus obliquus ............................................................................20
2.5. Kontinuierliche Fermentation Chlorella vulgaris ......................................................22
2.6. Kontinuierliche Fermentation Scenedesmus obliquus ............................................23
3. Publikationen .............................................................................................................24
3.2. Original Publikationen ............................................................................................26
4.1. Zusammenfassung der Ergebnisse ........................................................................44
g Gramm
H2 Wasserstoff
ha Hektar
H2S Schwefelwasserstoff
TS Trockensubstanz
v/v Volumenprozent
w/v Massenkonzentration
w/w Gewichtsprozent
Die hier vorgelegte These entstand innerhalb des vom bayerischen Staat geförderten
Drittmittelprojektes „AlgenFlugKraft“ (AFK) [2] (siehe Fig. 1). Die Motivation des Projektes AFK
beruht auf der Notwendigkeit, an der wohl größten Herausforderung der Menschheit im 21.
Jahrhundert, der Reduktion der CO2-Emmission zur Abwendung eines menschengemachten
Klimawandels mitzuwirken. Hierzu wird die Erzeugung regenerativer Kraftstoffe für die
Flugindustrie sowie aus den dadurch anfallenden Reststoffen die Gewinnung von
regenerativen Energien durch die Erzeugung von Biogas betrachtet. Mit dem Pariser
Klimaabkommen vom 12. Dezember 2015 haben sich 197 Staaten auf eine Beschränkung der
Erderwärmung, im Vergleich zum vorindustriellen Niveau, auf unter zwei Grad Celsius und
möglichst unter 1,5 Grad Celsius [3, 4] verpflichtet. Um dieses Ziel zu erreichen, dürfen in der
zweiten Hälfte dieses Jahrhunderts nicht mehr klimaschädliche Gase ausgestoßen werden,
als der Atmosphäre durch sogenannte Senken, also etwa Wälder, entzogen werden [5]. Diese
Treibhausgas-Neutralität lässt sich nur durch eine wesentliche Reduktion des Verbrauches
fossiler Energieträger und durch einen signifikanten Zuwachs an regenerativen Energien
erzielen. Zu den regenerativen Energien zählen heute im industriellen Maßstab die Sonnen-,
Wind-, Wasser- und Bioenergie. Um die oben genannten Ziele zu erreichen, müssen
dementsprechend Kraftwerke, die auf Basis fossiler Energieträger betrieben werden, durch
regenerative Alternativen ersetzt werden. Allerdings stellt dieser Wandel auch eine
Herausforderung in der Stromverfügbarkeit dar. Bislang konnten Kraftwerke mit Kernspaltung
und fossilen Brennstoffen, wie Braun- oder Steinkohle, eine kontinuierliche Grundlast in der
Stromeinspeisung gewährleisten, während Erdgas-Kraftwerke auch zum Teil Spitzenlast-
Bedarf abdecken konnten. Diesen Komfort bietet eine reine Versorgung mit Sonnen- und
Windkraftanlagen nicht, da deren Stromerzeugung auf entsprechend günstige
Wetterbedingungen angewiesen ist. Der „worst case“ für die Netzbetreiber ist die sogenannte
„Dunkelflaute“, d.h., dass an einigen wenigen Tagen im Jahr weder die Sonne hinreichend
scheint, noch ausreichend viel Wind weht. Hier gibt es verschiedene Ansätze, diese Zeiten mit
alternativen Stromerzeugungen zu überbrücken (überstaatlicher Netzausbau,
Pumpspeicherkraftwerke, Laufwasserkraftwerke, Netzersatzanlagen, Batteriespeicher, etc.
die Bioenergie, insbesondere die Biogas-Produktion leisten.
Die Energiewende muss nicht nur im Strommarkt vollzogen werden. So stellt der Anteil an
regenerativen Energien im deutschen Strom-Mix Stand März 2020 zwar beachtliche 42,1 %
dar, aber er beträgt in den Bereichen Wärme lediglich 14,5 % und vor allem im Verkehr sogar
Einleitung
2
nur 5,6 % [7]. Eine besondere Herausforderung im Bereich Verkehr ist dabei dem Luftverkehr
der Zukunft gezollt. Da der Flugverkehr stetig zunimmt und - im Gegensatz zur
Straßenmobilität - Brennstoffzellen- oder Batterie-Technologien besonders für
Langstreckenflüge in naher Zukunft nicht abbildbar sind, wurde 2011 das Projekt AFK [2] ins
Leben gerufen. Das AFK-Projekt umfasst erstmalig eine abfallfreie Bioraffinerie-
Technologieplattform zur holistischen Umsetzung von hochgradig ölhaltiger Algenbiomasse in
flüssige Flugkraftstoffe (Biokerosin), Biogas und CO2 adsorbierende Baustoffe. Dabei wurden
Technologien zur direkten Umwandlung von Mikroalgen basierten Lipiden in flüssige, „drop-
in“ Flugkraftstoffe, bei gleichzeitiger Verwertung der entölten Algenrestbiomasse in
Biogasanlagen untersucht. Im AFK-Projekt wird das aus Algenrestbiomasse gewonnene
Biogas direkt in der thermokatalytischen Umwandlung des Algenöls genutzt, um Alkan basierte
Flugkraftstoffe zu generieren, die von Ihren physikochemischen Eigenschaften äquivalent zu
bestehenden petrochemischen Kerosinprodukten sind [8]. Diese prozessintegrierte stoffliche
Nutzung von Algenöl und Biogas ist eine der massen- und ökoeffizientesten Nutzungsrouten
dieser erneuerbaren Eduktströme, hin zu einer ökologisch und ökonomisch sinnvollen
Biokerosin Produktion. Über die Nutzung von Algenrestbiomasse basiertem Biogas zur
Darstellung von erneuerbaren Flugkraftstoffen hinaus, hat die Etablierung von alternativen
Biomassesubstraten in der Diversifizierung und im Ausbau einer in Deutschland etablierten
Biogasinfrastruktur eine essentielle Rolle [9]. In diesem Kontext zeigen eingehende Studien
klar, dass die aktuelle Biogaserzeugung aus landwirtschaftlichen Rohstoffen wie Mais nicht
nur mit der Nahrungsmittelproduktion konkurriert, sondern sowohl energetisch als auch
ökonomisch negative Akzente setzt [10, 11]. Die Etablierung von Abfall- und alternativen
Biomasse-Rohstoffströmen, die nicht mit der Nahrungsmittelproduktion konkurrieren und
keinen intensiven Dünger- und Pflanzenschutzeintrag bedürfen, stehen daher aktuell im Fokus
einer Biogasproduktion der nächsten Generation [12]. Da Mikroalgen durch Ihre effiziente
Photosynthese zwischen 10 bis 100-fach [2, 13, 14] schneller wachsen als terrestrische
vaskuläre Pflanzen und auf Brachflächen kultiviert werden können, konkurriert die
Algenbiomasseproduktion in keiner Weise mit landwirtschaftlichen Aktivitäten. Darüber hinaus
bedarf die Algenkultivierung keines intensiven Düngereintrages und ist frei von
Pflanzenschutzmaßnahmen, was sich positiv auf die Energie- und Ökobilanz der
Algenkultvierung auswirkt. Algenbiomasse, insbesondere nach einer Extraktion der
intrazellulären Wertstoffe, ist daher ein sehr interessantes Substrat für die Biogasproduktion.
Generell zeichnet sich ab, dass der Biogasproduktion eine Schlüsselrolle für die Sicherung der
erneuerbaren Energieversorgung als auch für die Bereitstellung von erneuerbaren
Grundchemikalien in Deutschland durch Ihre Substrat- und Skalenflexibilisierung zukommt.
Unter den erneuerbaren Energien zeigt Biogas das größte Potential. Biogas kann sowohl über
Kraft-Wärme-Kopplung (KWK) Elektrizität und Wärme erzeugen, als auch, nach einer
Einleitung
3
Aufbereitung, im Erdgasnetz gespeichert werden. Das gespeicherte Gas kann dann, ebenfalls
mittels KWK, bedarfsgerecht zur Erzeugung von Strom und Wärme abgerufen werden.
Alternativ kann das aufgereinigte Biomethan als Kraftstoff zur Substituierung von Erdgas
verwendet werden. Als einer der vielversprechendsten Ansätze für die Kopplung von
fluktuierender und grundlastfähiger Energieerzeugung wird zudem die sogenannte „Windgas“-
Erzeugung gesehen [15]. Überschüssige elektrische Energie aus Photovoltaik und
Windkraftanlagen wird dabei über Elektrolyse Verfahren in Wasserstoff überführt. Dieser wird
gemeinsam mit CO2 (rückgewonnen z.B. aus der Biomethanaufbereitung) zu Methan (CH4)
synthetisiert, das wiederum einfach über bestehende Infrastruktur speicherbar und
transportabel ist [16, 17]. So sind die in Deutschland installierten Biogasanlagen bereits heute
eine wesentliche Stütze des Stromnetzes [18]. Durch die gezielte Förderung im Rahmen des
Erneuerbaren-Energien-Gesetzes (EEG) seit dem Jahr 2000 wurde die Anzahl der
bestehenden Biogasanlagen in Deutschland von 1.050, mit einer Leistung von wenigen MWel.,
auf 9.200 Anlagen, mit einer installierten Leistung von insgesamt 4.200 MWel., im Jahr 2012
erhöht. [19]. Im gleichen Zeitraum stieg die Anbaufläche für Energiepflanzen für
Biogasanlagen auf 1.350.000 ha in 2018, wobei der Anteil an Mais ca. 2/3 betrug [20]. Diese
enorme Zunahme der Maisanbauflächen („Vermaisung der Landschaft“) für die
Biogasproduktion wird kritisch betrachtet, da zum einen diese Nutzung in Konkurrenz zur
Nutzung des Maises als Futtermittel steht und zum anderen große Maismonokulturen einen
Rückgang der biologischen Diversität nach sich ziehen [21]. Aus diesem Grund wurde im EEG
2017 ein „Maisdeckel“ in Form von maximal 50 % Nutzung (degressiv bis 2021 max. 44 %)
von Mais als Einsatzstoffe eingeführt. Somit gewinnen alternative Energiepflanzen wie die
Durchwachsene Silphie, Miscanthus, Gras oder verschiedene Wildpflanzen an Bedeutung. Im
EEG 2017 werden insbesondere Güllekleinanlagen und Bioabfallanlagen gefördert. Diese
Bioabfallanlagen sind im Speziellen von hohem Interesse, da es in Deutschland ein hohes
Aufkommen an Lebensmittelabfällen gibt [22], aus denen hochwertiges Biogas erzeugt werden
kann. Zusammengefasst kann man festhalten, dass Biogas entscheidend zur Erreichung der
Ziele des Pariser Abkommens, bezüglich Stromproduktion, beitragen kann. Dies gilt
insbesondere für die Biogaserzeugung aus Abfallstoffen. Auch aus Mikroalgen kann Biogas
hergestellt werden, umso sinnvoller, wenn dieses aus Abfallstoffen von Mikroalgen nach deren
Veredelung produziert wird.
vorrangiges Ziel der Luftfahrtindustrie, Technologien zu entwickeln, die ein nachhaltiges
Wachstum ermöglichen. Trotz eines steten Wachstums von 5 % pro Jahr fordern die EU
Legislative und die Industrie selbst ein Nachhaltigkeitsziel in der Luftfahrtindustrie bis 2050.
Einleitung
4
Antriebstechnologie und Hüllstruktur alleine diese Nachhaltigkeitsziele nicht erfüllen können.
Nur die Integration von CO2 neutralen bzw. negativen Kraftstofflösungen ermöglicht eine
mittelfristige CO2 Neutralität dieses Industriesektors bis 2050 und darüber hinaus. Wasserstoff-
und Elektroantriebe können aus technischen Gründen vorläufig keine Alternativen darstellen.
Daher kommt der Entwicklung von flüssigen, bio-basierten, „drop-in“ Flugkraftstoffen eine
große Bedeutung zu, da eine Konformität mit etablierten Antriebstechnologien besteht und
flüssige Biokraftstoffe die bereits feinabgestimmte Infrastruktur zur Lagerung und Verteilung
von Kerosin nutzen können [26]. Allerdings müssen diese Biokraftstoffe den hohen Standards
von derzeitigen Flugkraftstoffen genügen, um die aktuellen Antriebstechnologien weiter nutzen
zu können. Daher ist es unverzichtbar, dass biobasierte Rohstoffe, wie Triglyceride
(pflanzliche/ mikrobielle Öle/Fette) oder auch Bioalkohole durch fein abgestimmte
thermokatalytische Prozesse in Alkan basierte „drop-in“ Treibstoffe umgewandelt werden [27–
30]. Die hieraus resultierenden flüssigen Produkte enthalten oft einen sehr eng umrissenen
Anteil an C8-C16 verzweigten- und unverzweigten aliphatischen Alkanen als Hauptbestandteil.
Darüber hinaus werden durch thermokatalytische Zyklisierung auch 6-8 % (v/v) an Aromaten
generiert, die für die Verbrennungsleistung in der Turbine essentiell sind. Nur die exakte
Abmischung von aliphatischen und aromatischen Kraftstoffbestandteilen ermöglicht eine
Zertifizierung des erneuerbaren Flugkraftstoffes und garantiert damit die gleiche operative
Sicherheit und Verbrennungseigenschaften wie konventionelle auf Petroleum basierten
Flugkraftstoffen [31, 32]. Aufgrund des enormen Bedarfs der für den Flugverkehr in Mio. MT
bemessenen Menge an erneuerbaren Flugkraftstoffen müssen mögliche Produktionsprozesse
im industriellen Maßstab zeitnah realisiert werden. Daher bedarf es grundlegend neuer
Lösungsansätze mit einem Fokus auf Vermeidung von Emissionen durch neue Flugkraftstoffe,
um ein weiteres, nachhaltiges Wachstum der Flugindustrie zu gewährleisten. Die Grundidee
des AFK-Projektes hat diese komplexen Themen aufgegriffen und mit Kompetenzträgern aus
der Großindustrie (Airbus SE, Clariant Produkte (Deutschland) GmbH), KMU‘s (conys GmbH;
BBSI UG) und Akademie (Technische Universität München (TUM), Bauhaus-Luftfahrt e.V.)
innovative Lösungen zur industriellen Produktion von nachhaltigen Flugkraftstoffen entwickelt.
Einleitung
5
Umwandlung von Algenbiomasse in Flugkraftstoffe, Biogas (Methan, Wasserstoff) und CO2-
bindende Baustoffe. Da erneuerbare Flugkraftstoffe in Zukunft voraussichtlich dezentral in
verschiedenen Regionen der Welt produziert werden, war ein zentraler Baustein des Projektes
die Untersuchung, unter welchen Klimabedingungen Algenbiomasse produktiv wachsen kann
[33]. In diesem Zusammenhang sollten speziell Algenstämme identifiziert werden, die eine
konstante Biomasseproduktion über ein breites Temperaturspektrum aufweisen und deren
Kultivierung optimiert werden. Ziel dieser Arbeiten war es, erstmalig eine globale
Machbarkeitsstudie für Algenprozesse, in Abhängigkeit von verschiedenen Algenstämmen
und Klimazonen, sowie Kultivierungstechnologien, zu erstellen. Der innovative Ansatz,
wässrige Biomasse direkt in Flugkraftstoffe umzusetzen, sorgt zusätzlich für eine Minimierung
der Aufbereitungskosten.
etablierten Wachstumsbedingungen eine große Herausforderung [34]. Daher werden zumeist
Algenstämme kultiviert, die sich durch eine gleichbleibend hohe Biomasseproduktion
auszeichnen, deren Lipidgehalte jedoch mit 20-30 % (w/w) für die industrielle
Kraftstoffproduktion nicht geeignet sind [35–37]. Eine ganzheitliche Verwertung der
resultierenden Biomasse durch thermokatalytische Verfahren ist hier nicht angebracht, da es
durch den hohen Proteingehalt der Algenbiomasse (bis zu 30 % (w/w)) mittelfristig zu einer
Katalysatordeaktivierung kommen würde [38, 39]. Allerdings kann eine gezielte mechanische
und chemo-enzymatische Auftrennung der Algenbiomasse in eine Lipid- und
Einleitung
6
einem ökonomisch und ökologisch effizienten Gesamtprozess ausgebaut werden. Während
die Lipidfraktion direkt über thermokatalytische Verfahren zu Alkan basierten Kraftstoffen
umgewandelt werden kann, muss für die Algenrestbiomasse ein alternativer, wertschöpfender
Verwertungsweg entwickelt werden. Die einfachste Lösung ist hier die Verwendung dieses
Reststoffes als Biogassubstrat, um erneuerbares Methan zu generieren. Ziel des AFK-
Projektes war eine wertsteigernde stoffliche Verwertung des Methanstromes zusammen mit
der Lipidfraktion in der thermokatalytischen Umsetzung hin zum Biokerosin, während in
konventionellen Bioraffinerieansätzen dieses Biogas lediglich zur prozessinternen
Energieerzeugung verbrannt wird.
Im Hinblick auf die Masseneffizienz des AFK-Projektes ist festzuhalten, dass, je nach
genutztem Algenstamm und dessen Kultivierungsbedingungen, die Algenbiomasse hohe
Konzentrationen an industriell relevanten Wertstoffen, wie Lipiden (20-70 % (w/w) Zellmasse)
enthält. Die nach der Lipidextraktion für die Biogaserzeugung zur Verfügung stehende
Algenrestbiomasse setzt sich hauptsächlich aus polymeren, teils hochgradig funktionalisierten
Hexosen- (z.B. Cellulose, Hemicellulose, Fucoidan, Alginat, Pektin) und Pentosepolymeren
(z.B. Xylan, Arabinoxylan), sowie Proteinen zusammen [13]. Im Gegensatz zu
lignocellulosehaltigen Reststoffen, wie Getreidestroh, bei dem die Zuckerpolymere meist in
hochkristalliner Form vorliegen, sind die Zuckerpolymere in der Algenzellwand meist amorpher
Natur. Daher bedarf es weder einer energieintensiven, hydrothermalen Vorbehandlung, noch
einer vorgeschalteten enzymatischen Hydrolyse um die algenbasierten Zuckerpolymere im
Biogas-Fermentationsprozess für die vorliegenden Mikroorganismen verwertbar zu machen.
Im Gegensatz zu lignocellulosehaltigen Rohstoffen enthält Algenbiomasse auch kein Lignin,
was im Biogasprozess weder aufgeschlossen noch metabolisch in Biogas-Bestandteile
umgesetzt werden kann. Das Fehlen von Lignin, aber auch die Vorlage von amorphen
Zuckerpolymeren in der Algenbiomasse, lässt daher eine sehr hohe Konversionseffizienz
dieses Substrates in konventionellen Biogasprozessen erwarten. Dies sollte sich durch eine
hohe Biogasausbeute und einer reduzierten Masse an verbleibenden festen Gärresten am
Ende des Prozesses manifestieren. Sowohl die erhöhte Biogasausbeute als auch der
reduzierte Gärrest können als ökonomische und ökologische Vorteile der algenbasierten
Biogasproduktion angesehen werden. Da technologische Einfachheit, Prozessstabilität und
niedrige Investitionskosten für gewerbliche Betreiber von größter Bedeutung sind, ist die
direkte Biogaserzeugung aus der Algenrestbiomasse ein unkomplizierter Weg für die zur
stofflichen und / oder energetischen Verwertung dieser Restbiomasse durch Einsatz von
etablierter Biogas Technologie [40, 41].
Einleitung
7
Mikroalgen, die als phototrophe pro- (Cyanobakterien oder grünblaue Algen) und
eukaryotische Mikroorganismen umfasst werden, wandeln Sonnenlicht, das Klimagas CO2
und anorganische Nährstoffe (z.B. Stickstoff, Phosphor und Eisen und andere
Spurenelemente) in werthaltige Biomasse um [42, 43]. Algenbasierte Wertstoffe finden
potentiell sowohl in der Chemie-, Kosmetik-, Pharma-, und Nahrungsmittelindustrie als auch
in hochvolumigen Anwendungen zur Bioenergieproduktion Einsatz. Kommerziell kommen
aktuell aber nur etwa 10 Stämme für die Produktion von hochpreisigen Produkten für die
Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie zum Einsatz [44]. Der industrielle Einsatz von
Algen zur nachhaltigen Produktion von großvolumigen aber niederpreisigen Gütern, wie
Biokraftstoffen, erfordert eine konsequente technische und ökonomische Optimierung der
Biomassegenerierung, Extraktion und Konversion [45]. Dieser Ansatz war auch ein zentraler
Genegenstand des AFK-Projektes. Es ist jedoch festzuhalten, dass die Photosynthese-
Effizienz von Mikroalgen etwa 2-3 mal so hoch ist wie bei terrestrischen Pflanzen, was sich in
einer bis zu 10 fach- höheren Biomasseertrag manifestiert [13, 46]. Da das Algen-
Biomasseprodukt direkt mit der CO2 Fixierung korreliert, stellen phototrophe Mikroalgen eines
der effizienten biotechnologischen Werkzeuge für die langfristige Bindung und werthaltige
Konversion des Klimagases CO2 dar. Zusätzlich können Algen auf Brachflächen und mit
Abwasser-, Brack- oder Meerwasser kultiviert werden. Es besteht damit keine Rohstoff-,
Landflächen- oder Produktionskonkurrenz zur Agrarindustrie in Bezug auf die
Nahrungsmittelproduktion. Mikroalgen können sogar zur Aufbereitung von kommunalen und
landwirtschaftlichen Abwässern beitragen, was die Recyclingfähigkeit der immer knapper
werdenden Süßwasser Ressourcen verbessert [47, 48]. In Bezug auf diese umfassenden
Nachhaltigkeitsaspekte werden Mikroalgen daher oft als Biomasse der dritten Generation
bezeichnet [49, 50].
Während wie beschrieben aktuell nur etwa 10 Algenspezies Eingang in kommerzielle
Prozesse gefunden haben, gibt es eine große Vielzahl von Algenspezies, die bisher nur wenig
oder überhaupt nicht auf Ihre industrielle Nutzbarkeit überprüft wurden [44, 51]. Auch dieser
Aspekt war ein Forschungsthema in dem hier beschriebenen AFK-Projekt. Um diesen
Forschungsschwerpunkt im Kontext der jeweiligen Produktbildung auch näher zu beleuchten,
wird hier schlaglichtartig die doch recht komplexe biologische Systematik von Mikroalgen
ausgeführt.
Die Anzahl der Gattungen der Algen wird auf etwa 30.000 – 1 Mio. Arten geschätzt [52] . Die
pflanzliche, aquatische Biomasse teilt sich auf in Makro- und Mikroalgen sowie Seegräser. Die
Gruppe der Mikroalgen unterteilt sich in Grünalgen (Chlorophytha), Braunalgen (Phaeophyta)
und Rotalgen (Rhodophyta).
Im Gegensatz zu Makroalgen zeichnen sich Mikroalgen durch eine geringere
Organisationsstruktur aus. Sie kommen sowohl schwimmend als auch festsitzend vor. Daher
können sie z.B. marin in Küstengewässern und im offenen Meer als Phytoplankton siedeln,
wo sie signifikant zur Primärproduktion von Biomasse beitragen.
Mikroalgen sind in der Evolution sehr früh entstanden und haben sich sehr schnell diversifiziert.
Laut Kaltschmitt sind Grünalgen z.B. mit den Kieselalgen weniger miteinander verwandt als
der Mensch mit einem Schwamm [53]. Die Stoffwechselwege und ihre Regulation
unterscheiden sich bei den verschiedenen Algenklassen deutlich voneinander. Aufgrund der
hohen Artenvielfalt gibt es intensive Bestrebungen, Mikroalgen besser zu untersuchen und
auch wirtschaftlich zu nutzen.
Die wichtigsten Algengattungen und die von Ihnen gebildeten Produkte werden hier kurz
dargestellt:
Synechocystis und Synechococcus. Da Cyanobakterien als Prokaryoten einfach genetisch zu
manipulieren sind, werden sie insbesondere für die zukünftige Entwicklung von biogenen
Kraftstoffen, wie der Stärke basierte Bioethanol Produktion, in Betracht gezogen [54, 55].
Eukaryotische Algen:
Die Biotechnologie fokussiert sich hier auf drei Gruppen, obwohl in der Evolution noch viele
andere Mikroalgenklassen entstanden sind.
Diatomeen sind biotechnologisch sehr interessant, da sie in großem Umfang Lipide speichern
und auch in Brack- oder Salzwasser kultiviert werden können. Ferner bauen Diatomeen
Kieselschalen auf, deren Verwendung in der Nanotechnologie intensiv erforscht wird.
Diatomeen basierte Prozesse zielen ab auf die Darstellung von Nahrungsergänzungsmitteln,
die reich an langkettigen ungesättigten Fettsäuren (Omega- 3 und 6 Fettsäuren) sind. [56].
Ähnlich wie die Diatomeen lassen sich die Eustigmatophyceen gut in Brack- und Salzwasser
kultivieren und bilden in großer Menge Lipide, die zur Herstellung alternativer Kraftstoffe als
Grundstoff dienen können.
Grünalgen mit Ihren Chlorophyll–Photosynthese-Pigmenten und Chloroplasten ähneln
höheren Pflanzen am stärksten. Die wichtigsten Gattungen der Grünalgen sind die im
Forschungsprojekt verwendeten Vertreter Chlorella und Scenedesmus, aber auch die
Gattungen Chlamydomonas, Haematococcus, Dunaliella, Ostreococcus und Botryococcus.
Einleitung
9
Nutzung kultiviert aber auch zur Gewinnung von Wasserstoff beforscht [57].
Haematococcus wird aufgrund ihrer roten Färbung für die Herstellung von Astaxanthin
produziert. Dieses wird z.B. in der Fischkultur eingesetzt um das Fleisch von Salmoniden
rötlich zu färben [58].
Ostreococcus und Botryococcus können langkettige Terpen basierte Lipide, sogenannte
Botyrococeen, sekretieren, was eine Aufarbeitung und Umsetzung zu Biokraftstoffen
erleichtert [59].
Eine der am besten untersuchten Süßwasseralgenstämme ist die Grünalge Chlorella vulgaris,
die bereits als proteinreiches Nahrungsergänzungsmittel kommerziell Einsatz findet [60]. Die
Kultivierungs- und Ernteprozesse für diesen Algenstamm sind weitgehend optimiert und die
metabolischen Prozesse zur Optimierung der Biomasseinhaltsstoffe bereits aufgeklärt. Daher
bietet sich Chlorella vulgaris als Modellsystem für die Optimierung eines Algen basierten
Biogasprozesses an [61]. Die mit Chlorella vulgaris generierten Daten zur Biogas-
Prozessgestaltung werden durch weitere Testung mit der im AFK-Projekt isolierten
Brackwasser Grünalge Scenedesmus obliquus im Hinblick auf Biogas Produktivität und
Salzstress validiert und diversifiziert [62, 63]. Scenedesmus obliquus ist eine ölbildende Alge,
die unter Stickstofflimitierung bis zu 30 % (w/w) der Biotrockenmasse als intrazelluläre
Trigylceride einlagert [64]. Sie ist damit besonders für die anvisierte Biokraftstoffproduktion im
AFK-Projekt geeignet. Weiterhin kann diese Alge mit Brack- oder Abwasser kultiviert werden,
was sich besonders positiv auf die Ökoeffizienz des Gesamtprozesses auswirkt, da keine
Ressourcenkonkurrenz mit der Nahrungsmittelproduktionskette besteht. Um eine maximale
Valorisierung der Scenedesmus obliquus Biomasse in dem hier untersuchten Biogasprozess
zu untersuchen, wird die Ganzbiomasse und die Restbiomasse nach Triglycerid (Algenöl)
Extraktion als Substrat getestet [65, 66]. Neben der Biogasausbeute in Bezug auf Ganzzell-
und extrahierter Restbiomasse wird auch der Einfluss des Salzgehaltes auf den
Biogasprozess bewertet. Da Scenedesmus obliquus im technischen Maßstab in salzhaltigem
„Model“-Brackwasser (2,3 %w NaCl/v) in einem kommerziellen Flachplattenphotobioreaktor
angezogen wurde, ist es erstrebenswert, dass die extrahierte und salzhaltige Biomasse ohne
weitere Waschschritte mit Süßwasser direkt im Biogasprozess genutzt werden kann [67]. Die
Notwendigkeit für weitere Waschschritte mit wertvollem Süßwasser würde die energetische,
ökonomische und ökologische Effizienz des Gesamtprozesses negativ beeinflussen. Daher ist
Einleitung
10
Bewertung der Biogas-Nutzung im AFK-Projekt.
Um die Eignung der beiden Algenstämme für einen potentiellen Biogasprozess näher zu
betrachten, werden im Folgenden die Biomasse basierten Eigenschaften dieser Stämme
näher ausgeführt.
Chlorella vulgaris ist eine einzellige Mikroalgenspezies, deren Name sich vom griechischen
chloros = grün, gelbgrün und –ella = klein ableitet. Die Gattung Chlorella gehört zu den am
intensivsten erforschten Mikroalgen überhaupt. Sie wird bereits im industriellen Maßstab als
Nahrungsergänzungsmittel produziert und zeichnet sich durch eine hohe Biomasseproduktion
mit großen Anteilen an Proteinen, Mineralstoffen, sowie essentiellen Fettsäuren aus [68].
Chlorella vulgaris weist selbst in einfachen, offenen Teichsystemen im Freien unter
Verwendung von kommunalem Abwasser eine hohe Produktionsrate auf [69, 70]. Somit ist
Chlorella vulgaris nicht nur eine potenzielle Quelle für Bioenergie, sondern verringert
zusätzlich bei der Abwasserbehandlung durch die Aufnahme von Nährstoffen eine
Eutrophierung der Gewässer [71, 72]. Bei der Verwendung von Algenkulturen, anstelle der
konkurrierenden Anamox-Verfahren [73], wird Stickstoff in der Biomasse biochemisch fixiert
[74, 75].
Zellwand ein und bildet intrazellulär Triglyceride, die in spezialisierten Lipidvesikeln
gespeichert werden [76, 77]. Dabei sind Lipidausbeuten von über 30 % (w/w) unter
kontrollierten Bedingungen keine Seltenheit [78]. Für dieses Forschungsprojekt wurde diese
Alge eingesetzt, da sie schnell wächst, einen hohen Lipidanteil erreicht und sich durch eine
hohe Toleranz gegenüber erhöhten Salzkonzentrationen auszeichnet.
1.5. CO2-Fixierung durch Algen
sind somit essentiell für ein intaktes, marines Ökosystem. Durch ihre photosynthetische
Aktivität tragen sie zu einem erheblichen Teil an der weltweiten Sauerstoffproduktion und der
gleichzeitigen CO2-Fixierung bei. So zeigen beispielsweise Auswertungen aus den 1980er
Jahren von Satellitenbildern der NASA, die auf der Detektion von Chlorophyll beruhen, dass
jährlich ca. 45 bis 50 Milliarden Tonnen Kohlenstoff aus atmosphärischem CO2 in
Phytoplankton-Biomasse gebunden werden. Abgestorbenes Phytoplankton, welches in die
Tiefsee absinkt, sorgt dafür, dass der Atmosphäre jährlich ca. 8 Mrd. t CO2 dauerhaft entzogen
wird. Ohne diese Kohlenstoffsenke läge die CO2-Konzentration in der Atmosphäre statt bei
365 ppm bei ca. 565 ppm [76]. Dank des Phytoplanktons bilden die Meere somit den weltweit
Einleitung
11
größten CO2 Speicher. Viele Geo-Engineering-Strategien zielen darauf ab, diese
Kohlenstoffsenke verstärkt zu nutzen. Eine dieser Strategien ist die Eisendüngung, da die
Produktion von Biomasse durch Zugabe des Spurenelements Eisen erheblich gesteigert
werden kann. Allerdings wäre ein solcher Ansatz auch mit großen Risiken verbunden, da eine
großflächige, intensive Düngung zu einer Eutrophierung führen könnte. Durch den hohen
Anteil der abgestorbenen Biomasse entstünde ein Sauerstoffmangel, der wiederum die
Produktion von Lachgas und Methan, also Treibhausgasen, begünstigen würde. Daher ist
diese Methode weiter zu erforschen und Stand heute im industriellen Maßstab verboten [77].
1.6. Algenbiotechnologie als Werkzeug zur Entwicklung neuer Biogasprozesse
Ein vielversprechender Ansatz zur Umwandlung des Treibhausgases CO2 in industrielle Wert-
und Kraftstoffe ist die photoautotrophe Algenkultivierung. Im Vergleich zu Landpflanzen
zeichnen sich photosynthetische Mikroalgen durch einen 10- bis 100-fach höheren
Biomasseertrag, bezogen auf die Anbaufläche, aus [2, 13, 14]. Dabei konkurrieren sie nicht
mit der Nahrungsmittelproduktion und können als aktive Senke des Treibhausgases CO2
fungieren. Darüber hinaus haben besondere ölbildende Algenstämme, wie sie auch im
Rahmen dieses AFK-Projektes untersucht wurden, eine bis zu 30-mal höhere Lipidausbeute
pro Hektar Landmasse im Vergleich zu Landpflanzen [79–81]. Da Algenbiomasse im
Gegensatz zu Landpflanzen kein Lignin enthält, wird erwartet, dass Ihre Anwendung in der
Biogasproduktion zu einer höheren Biomassekonversion und damit erhöhten Biogaserträgen
führt [82]. Durch die deutlich höheren Wachstumsraten von Mikroalgen werden in Deutschland
bereits Biomasseausbeuten von ca. 100 Tonnen Trockenmasse pro Hektar und Jahr in
geschlossenen Reaktorsystemen produziert [83]. Ferner ist die Produktion von Algenbiomasse
mit einer minimalen Landnutzung von 2 m² / GJ verbunden (im Vergleich zu 258 m² / GJ für
Rapsöl) [84]. Durch die Verwendung von geschlossenen Systemen wird eine gleichbleibende
Qualität der Biomasse bei einer kontinuierlichen Produktion gewährleistet [85]. Ebenso können
die Stoffströme, wie Nährstoffe und Wasser, im Kreislauf genutzt werden, so dass der Bedarf
an Dünger und Süßwasser geringer ist als bei konventionellen Energiepflanzen [86].
Mikroalgen können des Weiteren auf nicht landwirtschaftlich genutzten Flächen mit Ab-, Brack-
oder Meerwasser kultiviert werden [87]. Eine Kultivierung von Süßwasseralgenstämmen in
offenen Systemen ist aufgrund von Temperatur- und Bestrahlungsschwankungen, sowie der
Einführung terrestrischer Kontaminanten, wie Bakterien und Pilzen, oft nicht prozessstabil. Die
letztgenannten Kontaminationsprobleme können kontrolliert oder beseitigt werden, wenn
halophile Algenstämme zur Herstellung von Wertschöpfungsprodukten, wie Lipiden,
verwendet werden [88]. Darüber hinaus umgeht die Verwendung von halophilen Algen den
Bedarf an Süßwasserressourcen, was zu einer Reduzierung der Prozesskosten führt und den
Wettbewerb mit der Landwirtschaft verhindert. Interessanterweise werden nach der Extraktion
Einleitung
12
von Algenbiomasse mit überkritischem Kohlendioxid nur minimale Mengen an Salzen in das
Ölprodukt übertragen [65]. Daher verbleibt der größte Teil des Salzes in den extrahierten
Algenbiomasse-Rückständen, die hauptsächlich aus den Zellwänden und intrazellulären
Proteinen bestehen. Im Allgemeinen ist das Problem des Salzstresses während der
anaeroben Vergärung nicht nur für halophile Algen und deren Nebenprodukte relevant,
sondern erstreckt sich auch auf andere Biogassubstrate, wie Deponiesickerwasser, das hohe
Konzentrationen an Ammoniumchlorid und Natriumhydrogencarbonat enthält [89]. Ebenso
weisen Meeresfischzuchtschlamm [90], Küchenabfälle [91], Nebenprodukte der
Fleischverarbeitung [92] oder Milchabwässer [93] einen hohen Salzgehalt auf, der die Leistung
des Biogasprozesses beeinflusst. Frühere experimentelle Beweise zeigen, dass niedrige
Salzkonzentrationen die Methanogenese fördern [94], während ein erhöhter Salzgehalt
schließlich zu einer vollständigen Hemmung und sogar zu einer Verschiebung zur
Carboxylatproduktion führt [95]. Wie bei vielen hemmenden Wirkungen kann ihr Ausmaß durch
langsame Anpassung der in der Fermentation vorhandenen Mikroorganismen begrenzt
werden, wie bereits für die Zugabe von Natriumchlorid gezeigt wurde [96, 97].
Aus den oben genannten Gründen kann Algenrestbiomasse, im Vergleich zu Kraftstoffen aus
Erdöl (1. Generation) und terrestrischer Pflanzenbiomasse (2. Generation), auch als Rohstoff
der 3. Generation für zukünftige, biotechnologische Prozesse, wie Biogas, angesehen werden
[25].
1.7. Grundlagen der Biogastechnologie
Biogas, welches hauptsächlich aus Methan besteht, entsteht in der Natur bei vollständigem
Abbau von Biomasse in Abwesenheit von freiem Sauerstoff. Der zu Grunde liegende
Gärungsprozess kann in Mooren und Sümpfen, im Grundschlamm von Seen, im Pansen von
Wiederkäuern, im Dick- und Blinddarm von allen Pflanzenfressern, sowie Dickdarm von
Menschen und Tieren beobachtet werden [98]. Nur eine kleine, hochspezialisierte Gruppe von
Bakterien ist in der Lage, Methan durch Methanogenese zu erzeugen. Dabei sind die
Methanbildner das letzte Glied in der Kette der Mikroorganismen, die Biomasse vollständig
umsetzen. Die Fähigkeit zur Methanbildung ist evolutionär in dieser Gruppe stark konserviert
und existiert schon seit Millionen von Jahren [99].
Die Biogastechnologie blickt auf eine über 100-jährige Geschichte zurück. 1906 entstanden
im Ruhrgebiet Reinigungsanlagen für Abwasser, allerdings vorrangig zur Verringerung der
Abfälle als zur Erzeugung von Biogas. Ab den 1920er Jahren jedoch wurde das Biogas gezielt
aufgefangen und in das städtische Gasnetz eingespeist [100]. In den 1950ern war auch die
Verwendung als Motorentreibstoff verbreitet, jedoch ging die Bedeutung aufgrund niedriger
Erdölpreis rapide zurück. [101]. Eine Renaissance der industriellen Biogaserzeugung erfolgte
Einleitung
13
mit der Energiekrise in den 1970ern, welche aber durch bald fallende Erdölpreise erneut
gebremst wurde. Allerdings nahm nun die Anzahl an landwirtschaftlichen Biogasanlagen stetig
zu. Dabei lag das Augenmerk darauf, bei einer möglichst geringen Verweilzeit des
Gärsubstrates eine möglichst vollständige Vergärung der Biomasse zu erzielen, um hierdurch
eine möglichst hohe Gasausbeute zu erreichen [102].
Zur Erzeugung von Biogas eignet sich nahezu jede Art von leicht umsetzbaren, organischen
Substanzen. Bis zum Ende des letzten Jahrhunderts wurden überwiegend kostengünstige
Substrate, wie organische Abfälle aus der Lebensmittelherstellung und –verarbeitung,
kommunaler Grünabfall und Ausscheidungen von Nutztieren eingesetzt.
Mit dem Stromeinspeisungsgesetz vom 7. Dezember 1990 wurde es möglich, dass kleine,
dezentrale Stromerzeuger (neben Biogasanlagen auch Anlagen, welche Strom aus Sonne,
Wind und Wasser produzierten), ihren erzeugten Strom erstmalig in das öffentliche Netz
einspeisen konnten. Mit dem Inkrafttreten des darauf nachfolgenden Gesetzes, des
Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) vom 29. März 2000 [103], wurden diese
Stromerzeuger sogar vorrangig in der Einspeisung gegenüber bestehender Stromerzeuger
gestellt und darüber hinaus entsprechend ihrer Produktionskosten vergütet. Durch die
Novellen EEG 2004 und insbesondere EEG 2009 haben sich vor allem nachwachsende
Rohstoffe, im speziellen der Mais als Energiepflanze, durchgesetzt. Damit einher ging ein
rasanter Anstieg im Bau von Biogasanlagen, welche zunehmend öffentlich kritisiert wurden
(Stichworte wie „Übermaisung der Landschaft“ und „Teller-Tank-Diskussion“). Letztendlich
wurde diese Entwicklung seit dem EEG 2012 abrupt gestoppt, so dass nur noch wenige
Neuanlagen entstanden sind.
Die Biogasbranche besinnt sich seit der Rezession ab 2012 wieder auf ihren Ursprung und
verstärkt ihr Augenmerk in der Biogaserzeugung aus biogenen Reststoffen aus der
Tierhaltung, da insbesondere Güllekleinanlagen gefördert werden. Ein weiterer Trend zeichnet
sich ab, indem bestehende NaWaRo-Biogasanlagen in die Flexibilisierung übergehen. Dies
bedeutet, dass zwar die installierte Leistung durch Zubau von BHKWs erhöht wird, aber -
aufgrund der Möglichkeit der Gasspeicherung in den Fermenterhauben - die Verstromung des
Biogases bedarfsgerecht erfolgt. So werden z.B. die BHKWs zu Spitzenbedarfszeiten auf
Volllast gefahren, während bei Stromüberschüssen im Versorgungsnetz (witterungsbedingt
durch Photovoltaik oder Windkraft) die BHKWs in ihrer Leistung reduziert oder sogar
abgeschaltet werden, aber das weiter kontinuierlich produzierte Biogas für späteren
Strombedarf gespeichert wird.
Bei der mikrobiellen Umsetzung von Gärsubstraten, unter dem Entzug von Sauerstoff, werden
organische Substanzen in aufeinanderfolgenden, biochemischen Prozessen in ein brennbares
Gasgemisch und einen trockensubstanzhaltigen Gärrückstand (weitgehend bestehend aus
Lignozellulose) umgewandelt. Je nach eingesetztem Substrat schwankt der Methan-Gehalt
(CH4) zwischen 50 % und 70 % (v/v). Die zweite große Fraktion ist CO2, welches 30 bis 50 %
(v/v) ausmacht Im geringeren Anteil finden sich noch O2 (bei intakten Biogasanlagen ohne
Sauerstoffschlupf) mit maximal 1 % (v/v), sowie im ppm-Bereich H2S und H2.
Der Gärprozess ist durch vier aufeinanderfolgende biochemische Prozesse definiert:
Stufe 1 Hydrolyse: Hochmolekulare, organische Stoffe wie einfache, oligomere Kohlenhydrate,
Proteine und Fette (Triglyceride), sowie teilweise auch polymere Zucker wie Stärke, Pektin
und Cellulose, werden mittels bakteriell sekretierter Enzyme (hydrolytische Exoenzyme, wie
Amylasen, Pektinasen, Cellulasen, Hemicellulase, Proteasen und Lipasen) in
niedermolekulare, fermentierbare organische Verbindungen, wie Glycerin, freie Fettsäuren,
Monomere-Zucker (z.B. Glukose, Mannose, Galactose, Xylose, Galacturonsäure) und
Aminosäuren, gespalten. Im Gesamtprozess der Vergärung ist diese Stufe die zumeist
langsamste Reaktion der Biogaserzeugung und beeinflusst somit signifikant die Verweilzeit
des Substrates im Reaktor.
Stufe 2 Acidogenese: In diesem Prozessschritt wandeln die Bakterien die zuvor genannten
Zwischenprodukte in Carboxylsäuren (Buttersäure, Propionsäure, z.T. Essigsäure) und
Alkohole um. In dieser Versäuerungsstufe entstehen auch geringe Mengen an CO2 und H2.
Stufe 3 Acetogenese: In dieser Phase bauen die säurebildenden Mikroorganismen
Propionsäure und Buttersäure in größerem Maßstab zu Essigsäure sowie CO2 und H2 ab.
Stufe 4 Methanogenese: Im letzten Schritt wird von den methanbildenden Archaeen und
anaeroben, methanotrophen Bakterien Methangas gebildet. Dies geschieht entweder durch
die Spaltung von Essigsäure zu CH4 und CO2 oder durch die Verbindung von H2 mit CO2.
Einleitung
15
Glycoprotein oder Heteropolysaccariden
Methanomicrobium mobile
Methanogenium limicola
Methanospirillium hungatei
Methanosarcina barkeri
H2, Formiat
H2, Formiat
H2, Formiat
H2, Methanol
Tabelle 1: Methanogene Bakterien und die von ihnen genutzten Substrate [104].
Die letzte Stufe der Umwandlung von Biomasse in Methan ist hochspezialisierten Arten, wie
den Archaeen vorbehalten, die sehr sauerstoffempfindlich sind. Die folgenden Tabellen zeigen
Arten von methanbildenden Bakterien, sowie die jeweiligen Substrate, die von Ihnen
umgesetzt werden.
Formiat: 4 HCOOH CH4 + 3 CO2 + 2 H2O
Methanol: 4 CH3OH 3 CH4 + CO2 + 2 H2O
Methylamin: 4 CH3NH2Cl + 2 H2O 3 CH4 + CO2 + 4 NH4Cl
Trimethylamin: 4 (CH3)3NCl + 6 H2O 9 CH4 + 3 CO2 + 4 NH4Cl
Acetat: CH3COOH CH4 + CO2
Kohlenmonoxid: 4 CO + 2 H2O CH4 + 3 CO2
Tabelle 2: Methanogene Substrate und ihre Umsetzung [104].
Normalerweise finden die vier genannten Stufen in der Praxis gleichzeitig in einem
geschlossenen und gerührten Fermenter statt. Die Parameter für eine effektive
Biogaserzeugung sind die Verweilzeit der Substrate (die Verweilzeit sollte nicht weniger als 20
Tage betragen), eine adäquate Faulraumbelastung (zwischen 2 bis 5 kg oTS/(m3*d)) und
mesophile Bedingungen (Temperatur zwischen 35 und 48 Grad Celsius) [104].
Einleitung
16
Gaszusammensetzung und Gasreinigung
Biogas als Rohgas besteht durchschnittlich aus 50 % (v/v) – 70 % (v/v) CH4 und 30 % (v/v) -
45 % (v/v) CO2. Ferner lassen sich geringere Mengen an Wasser, Sauerstoff sowie im ppm-
Bereich H2 (Wasserstoff) und H2S (Schwefelwasserstoff) nachweisen.
In folgender Tabelle werden die physikalischen Eigenschaften von Biogas und seinen
Bestandteilen aufgeführt:
Vol. – Anteil % (v/v) 55 - 70 27 – 44 < 1 < 3 100
Heizwert MJ/Nm³ 35,8 - 10,8 22,8 21,5
Zündgrenze in Luft Vol % 5 – 15 - 4 – 80 4 – 45 6 – 12
Zündtemperatur °C 650 – 750 - 585 - 650 – 750
Kritischer Druck Bar 47 75 13 89 75 – 89
Dichte kg/m³ 0,72 1,98 0,09 1,54 1,20
Tabelle 3: Physikalische Eigenschaften von Biogas und seinen Bestandteilen [104].
Beim Einsatz von Biogas in Blockheizkraftwerken (BHKW) stellt der Schwefelwasserstoff (H2S)
die größte Problematik dar, da er auf Rohrleitungen und Motoren korrosiv wirkt und es somit
zum Verschleiß der eingesetzten Materialien kommen kann. Zur Vermeidung des Übertragens
von Schwefelrückständen, die mit dem Biogas in das Motorenöl gelangen und zu dessen
Aufsäuerung führen können, gibt es 3 Stufen der Entschwefelung [105].
Als erste Stufe sollte eine Zudosierung von Luftsauerstoff 2 % (v/v) – 5 % (v/v) der produzierten
Gasmenge direkt in den Fermenter erfolgen. Hiermit wird Schwefelwasserstoff in elementaren,
kristallinen Schwefel und Wasser oxidiert und getrennt. Darüber hinaus sollte im Rahmen
eines katalytischen Trockenverfahrens Eisenhydroxid Fe(OH)3 als Katalysator eingesetzt
werden. Dieser Vorgang kann folgendermaßen formalisiert und bilanziert werden:
2 Fe(OH)3 + 3 H2S Fe2S3 + 6 H2O + 62 KJ
Die Regeneration erfolgt an der Luft und läuft folgendermaßen ab:
Einleitung
17
Fe2S3 + 1,5 O2 + 3 H2O 2 Fe(OH)3 + 3 S + 603 KJ
Als dritte Stufe der Entschwefelung empfiehlt sich der Einsatz von Aktivkohle, wobei
Schwefelwasserstoff und Sauerstoff an der Oberfläche der Aktivkohle adsorbieren. Die
katalytischen Eigenschaften der Aktivkohle bewirken ein Aufspalten der einzelnen Moleküle:
O2 (aq) ⇒ 2O- (aq) sowie H2S ⇒ HS- + H+
Kommt der dissoziierte Schwefelwasserstoff mit einem Sauerstoff-Ion in Kontakt, entstehen
H2O und S (elementarer Schwefel):
HS- + H+ + O- ⇒ S + H2O
Der Schwefel wird in die Aktivkohle eingelagert. Dabei kann die Aktivkohle in der Praxis mit
0,2 bis 0,5 kg Schwefel / kg Aktivkohle beladen werden, wobei mit zunehmendem
Schwefelgehalt die katalytische Aktivität der Aktivkohle sinkt. Die Aktivkohle muss nach
Erreichen dieser Beladung ausgetauscht und entsorgt werden. Ein weiterer großer Vorteil der
Aktivkohleentschwefelung ist, dass gleichzeitig für das BHKW schädliche Siloxane und
Halogenverbindungen aus dem Biogas beseitigt werden.
1.9. Industrielle Verwertung von Biogas in Biogasanlagen
Biogas ist ein hochwertiger Energieträger und kann auf vielfältige Weise eingesetzt werden.
Im industriellen Maßstab ist die gebräuchlichste Nutzungsform die Umwandlung in Strom und
Wärme, mittels eines BHKWs.
Von den ca. 8700 in Deutschland installierten Biogasanlagen setzen ca. 8200 Anlagen
nachwachsende Rohstoffe (NaWaRo) als Substrate wie Mais, Gras- und Getreide-Arten ein.
Ferner werden hier auch tierische Nebenprodukte wie Rinderfestmist, Gülle, Hähnchenmist,
Hühnertrockenkot, etc. eingebracht. Weiterhin existieren ca. 560 reine Güllekleinanlagen (≤
75 kWel.). Lediglich ca. 335 Anlagen verwerten biogene Reststoffe wie Bioabfall, Speisereste,
Schlachtabfälle, überlagerte Lebensmittel, Flotate, Magen-/Darminhalte, etc. [106]. Die festen
Substrate werden zumeist über einen Feststoffdosierer, die flüssigen zumeist über eine
Vorgrube eingebracht und dem Fermenter zugeführt. Bei biogenen Reststoffen erfolgt in der
Regel eine Hygienisierung (70º C für 1 Stunde), bevor das Substrat in den Fermenter gepumpt
wird. In einem Fermenter finden die unter 1.8. beschriebenen Prozesse statt, also die 4-stufige
Bildung des Endproduktes Methan. Das Methan als Schwachgas (50 – 70 % (v/v) Methan)
wird nach einer Aufbereitung (Gasreinigung, -entfeuchtung und –kühlung) in das BHKW
überführt. Dort wird durch die Verbrennung des Gases im Motor mechanische Energie erzeugt,
die einen Generator antreibt. Der im Generator erzeugte Niederspannungsstrom wird mit
Einleitung
18
dieser Strom in das Stromnetz eingespeist.
Ein „Abfallprodukt“ der Verstromung durch BHKWs ist die Abwärme. Die meisten
Biogasanlagen nutzen diese Wärme zur Versorgung ihrer eigenen Fermenter und speisen den
Überschuss in Nahwärmenetze oder Trocknungssysteme ein. Damit erhalten diese Anlagen
eine weitere und wirtschaftlich bedeutende Förderung im Bonussystem, den Kraft-Wärme-
Kopplungs- Bonus (KWK-Bonus) [107].
Die ausgegorenen Reste der Substrate, die Gärreste, stellen einen hervorragenden
anorganischen Wirtschaftsdünger dar. Da bei der Biogasproduktion überwiegend die
organischen Kohlenstoffverbindungen zu CH4 und CO2 verstoffwechselt werden, bleiben
anorganische Substratbestandteile wie Stickstoff, Phosphat, Kalium, etc. aus dem
Ausgangssubstrat nach der Vergärung in den Gärresten erhalten.
Methoden
19
Innerhalb des Forschungsprojektes wurden Biogas Satzprozess-Versuche und kontinuierliche
Versuche mit den Algenstämmen Chlorella vulgaris und Scenedesmus obliquus durchgeführt.
Beide Algenstämme wachsen schnell und können in offenen und geschlossenen
Photobioreaktor-Systemen ohne Kontamination gut kultiviert werden. Damit ist ein robuster
Prozess zur Biomasse-Herstellung gegeben. Zusätzlich bildet Scenedesmus obliquus unter
Nährstofflimitierung (insb. N-Limitierung) intrazelluläre Speicherstoffe wie Lipide, die in
Biogasprozessen die Methanausbeute erhöhen. Im Rahmen des Projektes wurde jedoch initial
kommerziell erhältliche unlimitierte Chlorella vulgaris Biomasse benutzt, um erste Versuche
zur Biogasproduktion mit Algen zu gewinnen. Hier zeichnete sich ab, dass der hohe
Proteingehalt den Einsatz dieser nicht limitierten Biomasse einschränkt. Im Zuge der
Prozessvalidierung und Diversifizierung mit Scenedesmus obliquus wurde N-limitierte, entölte
Algenrestbiomasse genutzt, die nur einen sehr geringen Proteingehalt auswies. Die hier
gewonnenen Daten waren projekt- und skalierungsrelevant für die industrielle Nutzung von
Algenbiomasse in Biogasanlagen. Neben den Effekten der individuellen Biomasse-
Bestandteile wurde auch der Einfluss des Salzgehaltes auf die anaerobe Vergärung
untersucht.
Methoden
20
2.2. Substrat: Chlorella vulgaris
Sowohl trockene als auch frische Biomasse wurde von der Roquette Klötze GmbH & Co. KG
bezogen. Diese hatte einen Gesamttrockensubstanzgehalt (TS) von 8,8 % (frisch) bzw. 88,5
% (getrocknet). Die organische Trockensubstanz lag bei 93,1 g gTS-1 bzw. 89,7 g gTS-1. Die
Werte wurden über 24 Stunden in einem Trockenschrank bei 105°C (TS) und durch
Veraschung der getrockneten Probe in einem Muffelofen bei 550°C über 3 Stunden (oTS)
ermittelt. Diese Substrate wurden verwendet, um die Fermenter mit vergleichbaren
Raumbelastungen zu betreiben, was zu der folgenden Zusammensetzung der Satzprozesse
führte. Als Referenzsubstrat wurde kommerzielle mikrokristalline Cellulose (Avicel, Sigma-
Aldrich, Weilheim, DE) in analytischer Qualität mitvergoren. Die Wahl für Avicel als
Referenzsubstrat resultierte aus der Überlegung, dass die Chlorella vulgaris Zellwand, die als
Primärbiogassubstrat erachtet wurde, weitgehend aus Zellulose besteht [108].
Experiment Blindprobe Referenz Chlorella
Tabelle 4: Kenndaten Versuchsansatz [110].
2.3. Substrat Scenedesmus obliquus
Die Grünalge Scenedesmus obliquus wurde ohne NaCl kultiviert und mit überkritischem
Kohlendioxid extrahiert, wie von Lorenzen et al. [65] beschrieben. Für alle Fermentationen
wurden lyophilisierte Algenreste als Substrat verwendet. Die Gesamttrockensubstanz (TS)
wurde mit 92,5 g gFM-1 und die organische Trockensubstanz (oTS) mit 87,7 g gTS-1 gemessen.
Die Werte für TS und oTS wurden analog zur Bestimmung von Chlorella vulgaris ermittelt. Zur
Beimpfung der Fermenter und für den Blindversuch wurde Impfsubstrat aus einer
landwirtschaftlichen Biogasanlage verwendet. Vor dem Experiment wurde der TS-Gehalt mit
Methoden
21
4,8 g gFM-1 und der oTS–Gehalt mit 65,7 g gTS-1 bestimmt. Anschließend wurde die
Salzkonzentration entsprechend eingestellt.
Einwaage Wasser
[g FM/Fermenter]
Einwaage Substrat
[g FM/Fermenter]
Einwaage NaCl
Leitfähigkeit Tag 1 (mS
Fermentationszeit
(Tage)
28
2.4. Satzprozess Versuche Chlorella vulgaris, Scenedesmus obliquus
Die Fermentation wurde nach dem Protokoll VDI 4630 zur Abschätzung der Biogasausbeute
bei einer Temperatur von 38,0 +/- 0,5°C in einem Volumen von 1.400 ml in 2 l Glaskolben im
dreifachen Ansatz durchgeführt. Die VDI 4630-Richtlinie definiert Regeln und Vorgaben für
Vergärungsversuche zur betrieblichen Optimierung von Biogasanlagen [109]. Die Menge des
produzierten Biogases wurde mit einem Gasdurchflussmesser (MilliGascounter, Ritter GmbH,
Deutschland) gemessen. Die Gaszusammensetzung, welche Methan, Kohlendioxid,
Sauerstoff, Wasserstoff und Schwefelwasserstoff enthielt, wurde mittels eines Gasanalysators
Methoden
22
AwiFLEX (Awite Bioenergie GmbH, Deutschland) bestimmt. Die Leitfähigkeit für den
Scenedesmus-Versuch wurde mit einem tragbaren Leitfähigkeitsmessgerät Almemo 2490
(Ahlborn Mess- und Regelungstechnik GmbH, Deutschland) gemessen. Alle Experimente
wurden über 28 Tage in dreifacher Wiederholung durchgeführt.
2.5. Kontinuierliche Fermentation Chlorella vulgaris
Das Experiment wurde mit drei Chargen frischer Biomasse von Chlorella vulgaris (Roquette
Klötze GmbH & Co. KG, Deutschland) durchgeführt. Die Biomasseanalyse vor der
Fermentation wurde wie in Abschnitt 2.2 beschrieben durchgeführt. Insgesamt wurden drei
Chargen Algen angeliefert. Die Algensuspension wurde kühl und dunkel gelagert.
Satzprozess 1 Satzprozess 2 Satzprozess 3
TS (%) 11,0 13,4 15,0
pH 5,3 5,0 5,8
Tabelle 6:Kenndaten der verwendeten Substrate [110].
Die kontinuierliche Fermentation wurde 64 Tage in 30-l-Glasfermentern (H = 100 cm, Ø = 20
cm) durchgeführt, die mit einem zentralen Rührwerk, einem Gasauslass, einem Sondenventil,
einem Temperatursensor und einem spiralförmigen Wasserwärmetauscher ausgestattet
waren. Jeder Fermenter wurde mit 28,0 Liter Inokulum aus einer landwirtschaftlichen
Biogasanlage befüllt. Jeden Tag wurde 1 l Gärrest entnommen, während gleichzeitig der
Fermenter gerührt wurde. Hierauf wurde dann frische Biomasse mit Fermentersubstrat
gemischt und in den Reaktorbehälter eingefüttert. Einmal pro Woche wurde der Füllstand des
Fermenters angepasst, so dass der Füllstand über die gesamte Versuchsdauer gleichblieb.
Während der Fermentation wurde die Faulraumbelastung von 1,0 kg oTS/(m³*d) auf 3,0 kg
oTS/(m³*d) erhöht, nachdem sich die Biogasproduktion stabilisiert hatte. Die Temperatur
wurde konstant bei 42,0 ± 0,3° C gehalten und das Rührwerk arbeitete in Intervallen von 10
Minuten, gefolgt von einer Pause von 5 Minuten. Die Gaszusammensetzung und -menge
wurde mit den gleichen Geräten gemessen wie in Abschnitt 2.4. beschrieben. Sobald
Gasströme über 1 L h-1 erreicht wurden, erfolgte die Messung mit Trommelgaszählern TG 0,5
(Ritter GmbH, Deutschland).
Der Gärrest wurde wöchentlich analysiert. Die ersten 40 Tage wurde die Probe 5 Stunden
nach der Fütterung entnommen. Während der restlichen Versuchslaufzeit wurde die
Methoden
23
Gärrestprobe dann 2 Stunden nach der Fütterung entnommen, da die ermittelten Gehalte an
flüchtiger organischer Säure bereits sehr niedrig waren. Der Gehalt an Gesamtfeststoffen (TS)
und organischer Trockensubstanz (oTS) wurde, wie in 2.2. beschrieben, abgeschätzt.
Zusätzlich wurden flüchtige organische Säuren (FOS) durch Gaschromatographie (CP - 3800
GC, Varian Analytical Instruments Inc., USA) gemessen. Der Gesamtgehalt an anorganischem
Kohlenstoff (TAC) wurde durch Oxidation und IR-Detektion mit TOCOR 2 (Maihac AG,
Deutschland) gemessen. Zusätzlich wurde Ammoniakstickstoff unter Verwendung eines
Ammoniakstickstoff-Kits auf Salicylatbasis (Hach, Lange GmbH, Deutschland) und ein
Spektrophotometer (Hewlett-Packard 8453 UV-Vis PAD, HP Deutschland GmbH
Deutschland) verwendet. Nach der abgeschlossenen Fermentation wurde der Gärrest
zusätzlich durch optische Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS
OES 710-Serie, Agilent Technologies, Inc., USA) untersucht.
Um die übermäßige Freisetzung von Schwefelwasserstoff zu unterdrücken, wurde täglich, ab
dem Tag 59, 1 g Entschwefelungsmittel Bayoxide E33, (LANXESS AG, Deutschland),
zugegeben.
Im kontinuierlichen Durchflussfermenter wurde die Monovergärung der Grünalge
Scenedesmus obliquus bei verschiedenen Salzgehalten getestet. Das Experiment wurde für
70 Tage in 30 l Glasfermentern (H = 100 cm, Ø = 20 cm) durchgeführt, die mit einem zentralen
Rührer, einem Gasauslass, einer Probeentnahme, einem Temperatursensor und einem
Spiralwasser-Wärmetauscher ausgestattet waren. Jeder Fermenter wurde mit 28,0 Liter
Inokulum einer landwirtschaftlichen Biogasanlage befüllt. Die Faulraumbelastung betrug bis
zum Tag 50 1,0 kg oTS/(m³*d) und wurde dann bis zum Ende des Experiments auf 1,5 kg
oTS/(m³*d) erhöht. Die Fütterung erfolgte alle 24 Stunden durch Zugabe von in 250 ml
entionisiertem Wasser suspendierter Biomasse mit der entsprechenden Menge
Natriumchlorid. An 4 bis 5 Tagen pro Woche wurde eine kleine Probe aus dem Fermenter
entnommen, um die Leitfähigkeit vor der zusätzlichen Fütterung zu messen. Einmal pro Woche
wurde der Füllstand des Fermenters durch Entfernen des Gärrestes eingestellt, um den
Füllstand konstant zu halten. Die Temperatur wurde konstant bei 42,1 ± 0,3ºC gehalten, und
das Rührwerk arbeitete in Intervallen von 10 Minuten, gefolgt von einer Pause von 5 Minuten.
Nach 60 Tagen wurde die Fütterung unterbrochen, um zu überprüfen, ob noch eine weitere
Gasproduktion erfolgte. Die Gaszusammensetzung und -menge wurde unter Verwendung der
gleichen Vorrichtungen gemessen, wie sie für die Satzprozesse beschrieben wurden, mit der
Ausnahme, dass Gasströme über 1 l h-1 mit Trommelgaszählern TG 0,5 (Ritter, Deutschland)
gemessen wurden. Der Gärrest wurde wöchentlich analog zum kontinuierlichen Chlorella
vulgaris Versuch analysiert [110].
Satzprozess und kontinuierliche Biogasfermentation Chlorella vulgaris
Der Artikel “Batch and Continuous Biogas Fermentation of the Fresh Water Algae Chlorella
vulgaris - Detailed Process Analysis” wurde 2018 im “Journal of Bioprocessing &
Biotechniques” (DOI: 10.4172/2155-9821.1000338) veröffentlicht. Der Autor der These, Timm
Adamietz, entwickelte das Konzept, generierte, interpretierte die Daten und schrieb als
Erstautor das Manuskript.
Während sich frühere Publikationen auf den Einfluss der Vorbehandlung von Biomasse und
auf die Biogaserträge an sich konzentrierten, untersuchte dieser Versuch die Dynamik der
Biogasfermentation im Detail. Um technisch relevante Ergebnisse zu erzielen und eine
Empfehlung für Biogaserzeuger aussprechen zu können, wurde in diesem Versuch ein
normierter Aufbau nach VDI 4630 angewendet. Zusätzlich wurden regelmäßig Gas- und
Gärrestanalysen durchgeführt. Dieser spezielle Aufbau wird herkömmlicherweise für
Standard-Substrattests angewendet, wenn Industriekunden ihre Prozesse optimieren wollen.
Obwohl Chargenvorversuche Biogaserträge von 537,9 lN kg-1 oTS für getrocknete Chlorella
vulgaris und 443,6 lN kg-1 oTS für frische Biomasse mit Methankonzentrationen von 60,0 %
(v/v) und 61,1 % (v/v) ergaben, konnten diese Werte unter technisch relevanten Bedingungen
mit der eingestellten Faulraumbelastung nicht gehalten werden. Die ermittelten Daten zeigen,
dass die maximale Faulraumbelastung für eine stabile kontinuierliche Fermentation von
Chlorella vulgaris zwischen 1,0 und 1,5 kg oTS/(m³*d) liegt. Der Hauptgrund für dieses
Problem war die langsame Umsetzung der Proteinfraktion. Diese Situation könnte durch die
hohe Ammoniakkonzentration im Gärsubstrat (~ 3 g l-1) sowie den hohen Gehalt an
Gesamtstickstoff (8 g kg-1 FM) und Protein (54 % w/w TS) im Gärsubstrat erklärt werden.
Obwohl theoretisch eine bessere Fermentationseffizienz durch eine Änderung der
Fermentationsbedingungen und einer Anpassung der Mikroorganismen möglich wäre, würde
der Abbau von Proteinen letztendlich zu einer Ammoniakhemmung führen. Die Daten zeigen,
dass die Fermentation von unlimitiert kultivierter Chlorella vulgaris Biomasse als Monosubstrat
problematisch und nicht empfehlenswert ist. Die Anwendung von Algenbiomasse als Ko-
Substrat jedoch könnte eine wertvolle Ergänzung zu landwirtschaftlichen Einsatzstoffen sein,
die einen hohen Kohlenhydrat- und einen niedrigen Proteingehalt aufweisen (z.B.
hydrolysiertes Getreidestroh). Die in den Algen enthaltenen Proteine erhöhen die
Methankonzentration. Weiterhin beeinflussen die enthaltenen Spurenelemente die
Fermentations- und Düngemittelqualität positiv.
Satzprozess und kontinuierliche Biogasfermentation aus extrahierten, halophilen
Algenresten der Scenedesmus obliquus mit hohem Salzgehalt
Der Artikel “Biogas yields and composition from oilextracted halophilic algae residues in
conventional biogas plants operated at high salinities” wurde 2019 in “Bioprocess and
Biosystems Engineering” (https://doi.org/10.1007/s00449-019-02185-8) veröffentlicht. Der
und schrieb als Erstautor das Manuskript.
Durch die Versuche mit Chlorella vulgaris wurde die Machbarkeit der Biogasfermentation von
Mikroalgenbiomasse in landwirtschaftlichen Standard-Biogasanlagen untersucht [110].
Daraus war ersichtlich, dass sich die Kofermentation mit begrenzten Mengen von
Süßwasseralgen für den Anlagenbetreiber als vorteilhaft erweisen würde. In den Versuchen
mit Scenedesmus obliquus wurde die Verwendung von halophilen Algenbiomasse-
Rückständen, nach der Lipidextraktion, in konventionellen Biogasanlagen untersucht [111].
Ein zentraler Schwerpunkt des Versuches war die Untersuchung der Biogasausbeute und der
Prozessstabilität mit Algenbiomasse, die steigende Salzkonzentrationen enthielt. Die
Verwertung dieses Rückstandes war für die gesamtwirtschaftliche Betrachtung des AFK-
Projektes von wesentlicher Bedeutung.
Es konnten überdurchschnittlich hohe Methanerträge von 213,2 lN/kg oTS generiert werden.
Dies lässt den Schluss zu, dass die im Rahmen der Vorbehandlung mit überkritischer CO2-
Ölextraktion behandelten Algen eine verbesserte Hydrolyse der Kohlenhydrate und Proteine
bei der Methanisierung ermöglicht. Die Zellen wurden vor der Extraktion auch mittels
Hochdruckhomogenisation aufgeschlossen. Es sollte also nach den beiden Schritten eine
deutlich größere Angriffsfläche für die Mikroorganismen vorhanden und die Strukturen
aufgebrochen sein.
Die Methanausbeuten waren etwa 20 % (v/v) höher als die Literaturwerte, die mit demselben
Algenstamm ohne vorherige Ölextraktion ermittelt wurden. Die Daten zeigen, dass ein
kontinuierlicher, anaerober Aufschluss ohne Verlust der Fermentationseffizienz bis zu einer
Salzkonzentration von 2 % (w/v) möglich ist, wenn herkömmliche, landwirtschaftliche
Biogasanlagen schrittweise an den Salzgehalt des Substrats angepasst werden. Die
Monofermentation des untersuchten ölextrahierten Algenrückstands ist bei einer
Faulraumbelastung von 1,5 kg oTS/(m³*d) technisch realisierbar. Eine Ergänzung mit
kohlenhydratreicher Biomasse würde sich jedoch als vorteilhaft, auch zur Abschwächung der
auftretenden Ammoniakhemmung, erweisen.
Detailed Process Analysis
Adamietz et al., J Bioprocess Biotech 2018, 8:4 DOI: 10.4172/2155-9821.1000338
J Bioprocess Biotech, an open access journal ISSN:2155-9821 Volume 8 • Issue 4 • 1000338
*Corresponding author: Brück T, Werner Siemens Chair of Synthetic Biotechnology,
Department of Chemistry, Technical University of Munich, Lichtenberg Str. 4, 85748
Garching Near Munich, Germany, Tel: +498928913253; E-mail: brueck@tum.de
Received September 13, 2018; Accepted October 03, 2018; Published October
09, 2018
Citation: Adamietz T, Jurkowski W, Adolph J, Brück T (2018) Batch and Continuous
Biogas Fermentation of the Fresh Water Algae Chlorella vulgaris - Detailed Process
Analysis. J Bioprocess Biotech 8: 338. doi:10.4172/2155-9821.1000338
Copyright: © 2018 Adamietz T, et al. This is an open-access article distributed
under the terms of the Creative Commons Attribution License, which permits
unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original
author and source are credited.
Keywords: Algae; Biogas; Chlorella; Continuous; Digestate analysis; Gas analysis; Methane yield; Organic loading rate
Introduction
The finite availability of fossil resources for energy generation and the resulting effects of climate change drive the industrial development of renewable energy solutions. While solar, wind and waterpower can be harnessed using only mechanical engineering, production of first and second generation biofuels that are based on terrestrial plant material are associated with land use change, reduced biodiversity and competition with food production. Microalgae grow 10 times faster than terrestrial plants and their cultivation can be accomplished on non-arable land utilizing waste-, brackish- or seawater. Therefore, algae biomass production for biofuel generation does not compete with agricultural activity and is not associated with land use change. Moreover, as algae biomass production is associated with minimal land use of 2 m²/GJ (as compared to 258 m²/GJ for rapeseed oil), there is sufficient potential to significantly contribute to a global solution for a sustainable energy supply [1]. Microalgae of the genus Chlorella sp., are one of the most productive biomass producers even when cultivated in simple outdoor, open pond systems using municipal wastewater [2,3]. In this configuration the algae biomass is not only a potential source of bioenergy, but it additionally facilitates wastewater treatment by the uptake of nutrients, which would otherwise lead to an eutrophication of natural water reservoirs [4]. Using algae cultures instead of the competing Anamox [5], processes for wastewater treatment is also superior in the context of nutrient recycling, as nitrogen is chemically fixed in the biomass. In contrast to the conventional Anamox process, nitrogen in algae biomass is not oxidized and released into the atmosphere. To that end, High Rate Algae Ponds (HRAP) are a
particularly successful approach, which affords water treatment at an even lower energy demand and land use than conventional wastewater systems [6]. Although the efficiencies are obviously higher in regions with consistent sunlight, an experimental pilot plant of this kind is currently operating in Wessex (UK) with good results [7].
The immense interest and development in the field of algal biofuels as seen by the rising amount of related publications [8] has reached a point, where techno-economic studies confirm the feasibility of bioenergy generation based on wastewater utilization [9]. At present, most approaches for valorisation of algal biomass rely on their high lipid content and biodiesel production [8]. Nevertheless, the downstream processing of biomass including lipid extraction and transesterification is complex and energy demanding [10]. Novel approaches like hydrogen generation or hydrothermal liquefaction- although promising-need further research and development to meet economic constraints [11]. In this context, an established and scalable
Batch and Continuous Biogas Fermentation of the Fresh Water Algae Chlorella vulgaris - Detailed Process Analysis Timm Adamietz1, Wojciech Jurkowski1, Jan Adolph2 and Thomas Brück1* 1Department of Chemistry, Technical University of Munich (TUM), Munich, Germany 2DABEC-Bioenergy Consulting, Reuningstr 13, Dresden, Germany
Abstract
As algae grow about 10 times faster than terrestrial plants and their cultivation does not compete with agricultural
activity, there is an enhanced interest in using algae biomass as an advanced biogas substrate. While previous reports
focus on the influence of biomass pre-treatment and on biogas yields, this study examines the biogas fermentation dynamics in detail. To generate technically relevant results and delineate a recommendation for commercial biogas
producers, our experimental set-up utilized a normed industrial, continuous setup according to VDI 4630 combined with regular gas and digestate analysis. This particular setup is conventionally applied for standard substrate tests
when industrial customers optimize their processes. Although batch pre-experiments indicate biogas yields of 537.9 lN kg-1 VS for dried Chlorella and 443.6 lN kg-1 VS for the fresh biomass with methane concentrations of 60.0% v/v and 61.1% v/v respectively, we could not maintain these values under technically relevant organic loading rates. From our data we can conclude, that the maximum loading rate for stable continuous fermentation of C. vulgaris is between 1.0 and 1.5 kg VS m-3 d-1. The main reason for this problem was sluggish digestion of proteins. This
situation could be deduced by the high ammonia concentration in the fermentation broth (~ 3 g l-1) as well as the high
nitrogen (8 g kg-1 FM) and protein (54% (w/w TS) content in the digestate. Furthermore desulfurization was required to alleviate the inhibition of methanogenesis, which was observed from 1700 ppm H
2 S in the biogas. Although better
fermentation efficiency might theoretically be possible by altering the fermentation conditions and adaptation of microorganisms, the degradation of proteins would ultimately lead to inhibitory ammonia nitrogen concentrations.
Our cumulative data indicate that fermentation of C. vulgaris as monosubstrate is problematic and not advisable.
The application of algae biomass as a co-substrate could a valuable addition to any agricultural plant biomass
substrate, which has a high carbohydrate content and low protein content (i.e., hydrolyzed cereal straw). Not only
will the proteins increase methane concentration, but also the captured trace elements would positively influence the fermentation and fertilizer quality, which adds additional value to biogas side-product streams.
Citation: Baran MF, Duz MZ, Uzan S, Dolak , Celik KS, et al. (2018) Removal of Hg(II) from Aqueous Solution by Bacillus subtilis ATCC 6051 (B1).
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technology, namely biogas fermentation, is becoming a focal interest in the algae biotechnology community, due to its process robustness and scaling flexibility. As technological simplicity, process robustness and low investment costs are of primary concern for commercial operators, direct biogas production from the algal biomass, without the need for dewatering is a straightforward route for energy production. Raw algal biomass provides only between 15-84 g/l dry matter making it inefficient in terms of organic loading rates and land use, therefore a pre-concentration step like cost efficient flocculation and potentially subsequent drying is advisable [12]. Considering excess heat production in many biogas cogeneration units an air-drying of the algal sediment prior to fermentation would also be feasible to enhance energy efficiency and reduce costs.
This study provides a thorough systematic assessment of biogas productivity in terms of total and space time yields using the freshwater algae Chlorella vulgaris as a feedstock. More importantly, we contrast the biogas performance of fresh and dried algae biomass samples in batch and continuous fermentation settings. Although algae cultivated in wastewater may just serve as co-substrate for existing biogas plants, their low dry matter discourages long distance transports. Utilization as a mono-substrate in dedicated plants may sometimes be the only economical solution, which is why we analyze the process stability and yields in this scenario. In this study we provide a detailed process analysis and potential optimization for algae biomass use in commercial biogas production scenarios.
Materials and Methods
biomass
Dry as well as fresh biomass was obtained from Roquette Klötze GmbH and Co. KG and had a total solids (TS) content of 8,8% w/w (fresh), and 88.5% w/w (dried) (Table 1). The volatile solids (VS) were 93.1 g gTS-1 and 89.7 g gTS-1 respectively. The data was estimated by air- drying the biomass for 24 h in an oven at 105°C (TS) and by combusting the dried sample in a muffle furnace at 550°C for 3 h. This data was used to load the fermenters with similar VS amounts, which resulted in the following composition of each kind of batch experiment:
As reference microcrystalline cellulose (Avicel) of analytical grade,
supplied by Sigma-Aldrich (Germany) was digested in order to confirm the correct project setup.
The fermentation has been conducted according to the VDI 4630 protocol to estimate the biogas yield at 38.0 ± 0.5°C in a volume of 1.400 ml filled to 2 l glass flasks. The generated biogas was measured with a gas flow meter (MilliGascounter, manufactured by Ritter, Germany). The gas composition comprising methane, carbon dioxide, oxygen, hydrogen and hydrogen sulfide was determined using a gas analyzer AwiFLEX (Awite, Germany).
Continuous fermentation of Chlorella vulgaris fresh and dried
biomass
The experiment was conducted using three batches of fresh Chlorella vulgaris biomass supplied by Roquette Klötze GmbH and Co. KG. The biomass analysis prior to fermentation was performed as described (2.1). Resulting data is summarized in Table 2, in order to calculate the organic loading rate (OLR). All batches were delivered at the beginning and were kept sealed in a cool and dark place.
The continuous fermentation was performed for 64 days in 30 L glass fermenters (H=100 cm; D=20 cm) equipped with central stirring, gas outlet, probing valve, temperature sensor and a spiral water heat- exchanger. Each fermenter was inoculated with 28 L fermentation broth from an agricultural biogas plant. One liter digestate was removed manually every day, while the fermenter was agitated. Subsequently, the digestate was mixed with fresh biomass and recirculated as feed to adjust for volume changes in the reaction vessel. Once a week the fill level of the fermenter was adjusted by removing digestate for sampling. During the fermentation organic loading rates (OLR) have been increased in 0.5 steps from 1.0 -3.0 kg VS m-3 d-1 each time when the biogas production had stabilized. The temperature was held constant at 42.0 ± 0.3°C, and the agitator was working in 10 minute intervals followed by 5 minute pause rates. The gas composition and amount was measured using the same devices as described in paragraph 2.1, with the exception, that gas flows above 1 L h-1 were measured with a drum type gas meter TG 0.5 (Ritter, Germany).
The resulting digestate was analysed on a weekly basis. For this purpose, samples were collected 5 h after feeding for the first 40 days and then 2 hours after feeding, due to the measured low volatile
Experiment Blank Reference Chlorella dry Chlorella fresh
Substrate None Cellulose Dry algae biomass Fresh algae biomass
Inoculum input Mean (g FM/Batch) 1400 792 790 790
Water input Mean (g/Batch) 0 610 610 475
Substrate input Mean (g FM/Batch) 0 11 14 135
pH Value at start 7.8 7.9 7.1 7.7
Fermentation time (d) 28 28 28 28
Table 1: Composition for batch fermentation experiments.
Batch 1 Batch 2 Batch 3
TS (%) 11.0 13.4 15.0
pH 5.3 5.0 5.8
Table 2: Characteristics of the biomass batches used for the continuous fermentation, where: FM: fresh biomass.
Citation: Baran MF, Duz MZ, Uzan S, Dolak , Celik KS, et al. (2018) Removal of Hg(II) from Aqueous Solution by Bacillus subtilis ATCC 6051 (B1).
J Bioprocess Biotech 8: 338. doi:10.4172/2155-9821.1000338
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Results and Discussion
biomass
The reference sample reached 785.5 lN kg-1 VS biogas yield, which confirmed the validity of the experiment, as the calculated value according to VDI 4630 is 745 lN kg-1 VS ± 10%. For both fresh and dry algae biomass, 90% of total biogas was produced after 18 days fermentation (Figure 1). The biogas yield of the samples was 537.9 lN kg-1 VS for dried Chlorella biomass and 443.6 lN kg-1 VS for the fresh biomass with methane concentrations of 60.0% (v/v) and 61.1% (v/v) respectively (Figure 2). Therefore, the total methane yield of fresh C. vulgaris was significantly lower with 270.9 lN kg-1 VS than it was the case for the dried biomass, which reached 322.6 lN kg-1 VS, as was depicted in Figure 3. This might be due to cell-disrupting properties of the drying process, which led to a release of some otherwise inaccessible nutrients, such as intracellular fats and proteins. To that end, the intracellular protein yield, this for Chlorella biomass can be as high as 60% of cell dry weight, may have been the predominant factor in enhanced biogas production from dried biomass. These findings are however in cont